مادة القطب الأكثر فعالية لبطاريات تدفق الأكسدة والاختزال الفاناديوم هي أ يتم تنشيط الجرافيت القائم على البولي أكريلونيتريل حرارياً عند 450 درجة مئوية لمدة 4 ساعات في الهواء . هذا العلاج يزيد من مساحة السطح المحددة ل 6.5 م2 لكل جرام ، يرفع النسبة الذرية للأكسجين إلى الكربون إلى 0.12 ، وتنتج كفاءة الجهد 86.5 بالمائة عند 100 مللي أمبير لكل سم2 . يوفر القطب الكهربائي الناتج كفاءة في استخدام الطاقة تزيد عن 80 بالمائة على مدار دورة حياة تتجاوز 15000 دورة تفريغ شحن، مما يقلل بشكل مباشر من تكلفة التخزين المستوية بنسبة 8 بالمائة تقريبًا مقارنة باللباد غير المعالج.
مادة القطب المتطلبات في بطاريات التدفق
يجب أن يوفر قطب بطارية التدفق واجهة ثلاثية الطور حيث يلتقي المنحل بالكهرباء السائل والقطب الصلب ومجمع التيار. تشمل الخصائص الفيزيائية الأساسية التي تحكم الأداء الموصلية الكهربائية العالية، ومساحة السطح المحددة الكافية للتفاعلات الكهروكيميائية، وقابلية التبلل الجيدة بواسطة المنحل بالكهرباء، والمقاومة الشديدة للتآكل الكهروكيميائي في حامض الكبريتيك المركز عند الإمكانات الأعلى. 1.5 فولت مقابل هي .
- يجب أن تتجاوز الموصلية الكهربائية عبر الطائرة 5 ثانية لكل سم لتقليل فقدان الأومية عبر سمك مضغوط نموذجي يتراوح من 2 إلى 4 مم.
- مساحة سطح محددة على الأقل 3 م2 لكل جرام مطلوب للحفاظ على مقاومة نقل الشحنة أقل من 1 أوم لكل سم 2 عند كثافات التيار العملية.
- يجب أن تنخفض زاوية التلامس مع إلكتروليت الفاناديوم 1.6 م إلى الأسفل 60 درجة بعد التنشيط، مما يضمن ترطيب المسام بالكامل والاستفادة منها.
- يجب أن يبقى معدل التآكل تحت 1 ميكروجرام لكل سم2 في الساعة في الجانب الإيجابي، يمكن ضمان عمر المكدس لمدة 20 عامًا.
الأداء المقارن لباد الكربون والورق والقماش
تهيمن ثلاث ركائز قائمة على الكربون على أقطاب بطارية التدفق. إن خصائصها الأولية قبل التنشيط تملي السقف الذي يمكن تحقيقه من حيث الكفاءة. يلخص الجدول أدناه الخصائص الأولية للأنواع الأكثر شيوعًا.
| مادة | مساحة السطح الأولية (م2/جم) | الموصلية الكهربائية (S/سم) | النفاذية عبر الطائرة (م2) |
|---|---|---|---|
| شعر الجرافيت | 0.5 إلى 1.2 | 8.5 | 5 × 10 للقوة ناقص 10 |
| ورق الكربون | 0.2 إلى 0.8 | 45.0 | 1 × 10 للقوة ناقص 12 |
| قماش الكربون | 0.8 إلى 2.0 | 12.0 | 8 × 10 أس سالب 10 |
يُفضل لباد الجرافيت بسبب مساميته الحجمية العالية وتكلفته المنخفضة. يوفر ورق الكربون أعلى موصلية كبيرة ولكنه يعاني من انخفاض النفاذية، مما يجعله مناسبًا فقط لبنيات الخلايا المتدفقة ذات الأقطاب الكهربائية الرقيقة. يوفر القماش الكربوني توازنًا ولكن قابلية الانضغاط محدودة، مما يؤدي إلى مقاومة أعلى للتلامس مع اللوحة ثنائية القطب.
استراتيجيات التنشيط الحراري والكيميائي
أقطاب الكربون غير المعالجة هي كارهة للماء وخاملة بالتحفيز الكهربائي. يقدم التنشيط مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين مثل الكربونيل، والكربوكسيل، والهيدروكسيل والتي تعمل كمواقع نشطة لتفاعلات الأكسدة والاختزال الفاناديوم. يتبع بروتوكول التنشيط الحراري القياسي تسلسلًا دقيقًا.
- قم بتحريك الجرافيت من درجة حرارة الغرفة إلى 450 درجة مئوية بمعدل 5 درجات مئوية في الدقيقة في جو هوائي.
- عقد عند 450 درجة مئوية لمدة 4 ساعات لتحقيق خسارة جماعية تتراوح بين 2 إلى 3 بالمائة دون المساس بالسلامة الميكانيكية.
- قم بتبريده بشكل طبيعي إلى أقل من 80 درجة مئوية قبل إزالته لمنع الصدمة الحرارية.
بعد العلاج، ترتفع نسبة O إلى C من 0.03 إلى 0.12 ، تنخفض زاوية ملامسة الماء من 125 درجة إلى 55 درجة ، وتزداد كثافة تيار الذروة للتفاعل الأيوني الموجب لـ VO2 إلى VO2 بمقدار 35 بالمائة في قياس الجهد الدوري. المعالجة الحمضية بغلي حمض النتريك المركز 30 دقيقة يحقق درجة مماثلة من الأكسدة ولكن يمكن أن يترك النترات المتبقية التي يجب شطفها لمدة ساعتين على الأقل في الماء منزوع الأيونات.
تعديل محفز المعدن وأكسيد المعدن
يؤدي ترسيب الجسيمات النانوية الحفزية على سطح الكربون المنشط إلى تقليل مقاومة نقل الشحنة. البزموت وأكسيد الإيريديوم وأكسيد المنغنيز هي المعدلات الأكثر دراسة. تحميل البزموت المترسب بالكهرباء 15 ميكروجرام لكل سم2 على قطب كهربائي محسوس يغير احتمالية بداية تقليل الأيونات الإيجابية V3 إلى V2 الإيجابية بمقدار 60 مللي فولت ويقلل من مقاومة نقل الشحنة من 2.8 أوم لكل سم2 إلى 1.2 أوم لكل سم2 .
تعمل أسلاك أكسيد المنغنيز النانوية المزروعة بالحرارة المائية مباشرة على ألياف الكربون على زيادة السعة النوعية للقطب الكهربائي 45 فهرنهايت لكل سم2 ، مما يوفر تأثير تخزين مؤقت محلي يعمل على تحسين كفاءة الجهد بمقدار إضافي 2.5 نقطة مئوية أثناء النبض العالي السرعة. ومع ذلك، يجب التحقق من استقرار هذه المحفزات على المدى الطويل في ظل تكرار التدوير المحتمل؛ يذوب أكسيد الإيريديوم بمعدل 0.3 نانوغرام لكل دورة في 2 مولار من حمض الكبريتيك، مما يؤدي إلى تلاشي الأداء الذي يمكن اكتشافه بعد ذلك 2000 دورة .
اعتبارات ضغط القطب وتجميع الخلايا
تحدد درجة الضغط المطبقة عند تكديس الخلايا بشكل مباشر المقاومة الخاصة بالمنطقة وانخفاض الضغط عبر مسار الإلكتروليت. توازن نسبة الضغط المثالية بين هذين العاملين. للحصول على لباد بسمك 3 مم، يمكن الضغط عليه 2.1 ملم (سلالة 30 بالمائة) يقلل من مقاومة الاتصال بين القطب ولوحة الجرافيت ثنائية القطب من 0.8 أوم لكل سم2 إلى 0.35 أوم لكل سم2 ، مما أدى إلى خفض إجمالي مقاومة المكدس تقريبًا 25 بالمائة .
وفي الوقت نفسه، يؤدي انخفاض المسامية من 85% إلى 75% إلى زيادة انخفاض ضغط الإلكتروليت بعامل قدره 1.8 . بالنسبة لمكدس بقدرة 10 كيلووات بمعدل تدفق يبلغ 120 لترًا في الدقيقة، يُترجم هذا إلى كمية إضافية 0.6 بار من أعمال المضخة التي تستهلك حوالي 1.2 بالمائة من خرج طاقة المكدس . ولذلك يتم تعيين نافذة الضغط الأمثل لباد الجرافيت بين 20 و 25 بالمائة من سمك الأولي.
آليات المتانة والتدهور على المدى الطويل
يكون سبب تدهور القطب في ظل ظروف التشغيل في المقام الأول هو الأكسدة الكهروكيميائية لسطح الكربون في الجانب الإيجابي. شعرت بالجرافيت في 1.6 فولت مقابل هي لمدة 1000 ساعة في اختبار نصف الخلية يخسر 15 بالمائة من مجموعاته الوظيفية الأولية للأكسجين ، مما أدى إلى انخفاض كفاءة الجهد 3 بالمائة . تيار تآكل الكربون المقاس عند هذه الإمكانية هو 8 ميكرو أمبير لكل سم 2 ، الموافق لمعدل فقدان الكتلة 0.12 مجم لكل سم2 لكل 1000 ساعة .
لإطالة العمر التشغيلي، يمكن أن يؤدي الانعكاس الدوري المحتمل أو النبض الكاثودي القصير إلى تجديد بعض المجموعات الوظيفية المفقودة. في اختبار الشيخوخة المتسارعة، تم إخضاع الخلية لـ نبض ناقص 0.8 فولت لمدة 60 ثانية كل 500 دورة تعافى 80 بالمائة من كفاءة الجهد الأولي بعد 5000 دورة، في حين احتفظت خلية التحكم غير المعالجة فقط 65 بالمئة . يتم دمج استراتيجية التجديد في الموقع هذه في أنظمة إدارة البطارية لمجموعات بطاريات التدفق من الجيل التالي.
